第一章土木工程材料基本性質(zhì)

1、第一章第一章 土木工程材料的基本性質(zhì)土木工程材料的基本性質(zhì) 第一節(jié)第一節(jié) 土木工程材料的組成與結(jié)構(gòu)土木工程材料的組成與結(jié)構(gòu)第二節(jié)第二節(jié) 土木工程材料的基本物理性質(zhì)土木工程材料的基本物理性質(zhì)第三節(jié)第三節(jié) 土木工程材料的力學(xué)性質(zhì)土木工程材料的力學(xué)性質(zhì)第四節(jié)第四節(jié) 土木工程材料的耐久性土木工程材料的耐久性1-1 組成與結(jié)構(gòu)組成與結(jié)構(gòu) 一、組成一、組成u化學(xué)組成化學(xué)組成 u礦物組成礦物組成 化學(xué)組成不同化學(xué)組成不同物理、力學(xué)性質(zhì)不同物理、力學(xué)性質(zhì)不同 化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)不同化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)不同礦物礦物具有一定化學(xué)成份和具有一定化學(xué)成份和 一定結(jié)構(gòu)特征的化合物或單質(zhì)。一定結(jié)構(gòu)特征的化合物或單質(zhì)。礦物組成不同，即使

2、化學(xué)組成相同礦物組成不同，即使化學(xué)組成相同 材料性質(zhì)也不同（金剛石、石墨）材料性質(zhì)也不同（金剛石、石墨）二、結(jié)構(gòu)二、結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)分類尺度,mm觀察工具宏觀100肉眼、放大鏡細(xì)觀103光學(xué)顯微鏡微觀107電子顯微鏡（一）微觀結(jié)構(gòu)（一）微觀結(jié)構(gòu)1、晶體、晶體結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)特征：晶體特征晶體特征：多晶體材料多晶體材料： 內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)規(guī)則排列內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)規(guī)則排列 各向異性各向異性 最小內(nèi)能、最大穩(wěn)定性最小內(nèi)能、最大穩(wěn)定性大量晶粒無規(guī)律排列大量晶粒無規(guī)律排列 各向同性各向同性晶粒越小，分布越勻晶粒越小，分布越勻 材料強(qiáng)度越高材料強(qiáng)度越高金剛石晶體結(jié)構(gòu)金剛石晶體結(jié)構(gòu)石墨晶體結(jié)構(gòu)石墨晶體結(jié)構(gòu)NaCl晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)2、

3、玻璃體、玻璃體結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)特征：材料特性材料特性：實(shí)例實(shí)例： 各向同性各向同性熱力學(xué)不穩(wěn)定熱力學(xué)不穩(wěn)定內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)排列沒有一定規(guī)律內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)排列沒有一定規(guī)律高爐礦渣高爐礦渣慢冷慢冷晶晶 體體 化學(xué)活性低化學(xué)活性低快冷快冷玻璃體玻璃體 化學(xué)活性高化學(xué)活性高玻璃結(jié)構(gòu)（二）、細(xì)觀結(jié)構(gòu)（二）、細(xì)觀結(jié)構(gòu)u實(shí)例實(shí)例：木材的細(xì)胞組織木材的細(xì)胞組織 巖石的礦物組織巖石的礦物組織u作用：作用：各種組織的性質(zhì)、數(shù)量、分布及其結(jié)合情況各種組織的性質(zhì)、數(shù)量、分布及其結(jié)合情況 材料整體性質(zhì)材料整體性質(zhì)（三）宏觀結(jié)構(gòu)（三）宏觀結(jié)構(gòu)u分類分類按孔徑分類按孔徑分類致密結(jié)構(gòu)致密結(jié)構(gòu)多孔結(jié)構(gòu)多孔結(jié)構(gòu)微孔結(jié)構(gòu)微孔結(jié)構(gòu)實(shí)例實(shí)例平板玻璃平板

4、玻璃泡沫玻璃泡沫玻璃粘土磚粘土磚按形態(tài)分類按形態(tài)分類纖維纖維層狀層狀散粒散粒聚集聚集實(shí)例實(shí)例玻璃纖維玻璃纖維膠合板膠合板 石子石子 混凝土混凝土結(jié)構(gòu)越密實(shí)，越均勻結(jié)構(gòu)越密實(shí)，越均勻強(qiáng)度越高強(qiáng)度越高名 稱含 義體 積 狀 態(tài)體 積 計(jì) 算密 度單 位 體 積重 量絕 對 密 實(shí)自 身 體 積表 觀 密 度自 然 狀 態(tài)外 形 體 積堆 積 密 度堆 積 狀 態(tài)容 器 容 積1-2物理性質(zhì)物理性質(zhì)一、密度、表觀密度與堆積密度一、密度、表觀密度與堆積密度密度算式：密度算式： 思考：體積如何測定思考：體積如何測定?(實(shí)有體積、外形體積、容積體積實(shí)有體積、外形體積、容積體積)同種材料同種材料: 密度表觀

5、密度堆積密度密度表觀密度堆積密度Vm二、孔隙、空隙與密實(shí)度二、孔隙、空隙與密實(shí)度1、孔隙孔隙 孔隙率孔隙率： 孔特征孔特征：2、空隙空隙 材料內(nèi)部的空隙材料內(nèi)部的空隙連通性、孔徑、孔分布連通性、孔徑、孔分布 材料顆粒間的空隙材料顆粒間的空隙-空隙率？空隙率？%1001000VVVP材料外形體積中，材料外形體積中，孔隙體積所占的比例?？紫扼w積所占的比例。密實(shí)度密實(shí)度D=1-P三、親水性和憎水性三、親水性和憎水性親水性材料親水性材料接觸角接觸角材料表面對水的吸附程度材料表面對水的吸附程度憎水性材料憎水性材料水與材料接觸時(shí)水與材料接觸時(shí)水關(guān)系水與材料狀態(tài)內(nèi)聚力吸引力水不被吸附接觸角 材料性狀材料表面

6、水進(jìn)入毛細(xì)管毛細(xì)管水材料舉例90憎水性 不可浸潤 在壓力下 凸液面 石蠟四、吸水性和吸濕性四、吸水性和吸濕性1、吸水性吸水性 表示方法表示方法： 影響因素影響因素：材料在材料在水中水中吸收水分的能力吸收水分的能力ddwmmmw吸水率，吸水率， 親水性、孔隙率、孔特征親水性、孔隙率、孔特征親水性親水性、孔隙率、孔隙率、微細(xì)連通孔、微細(xì)連通孔吸水性吸水性材料鋼鐵,玻璃 花崗巖 混凝土 粘土磚木材吸水率00.50.7238201002、吸濕性吸濕性 表示方法表示方法：含水率，：含水率， 影響因素影響因素：從從空氣中空氣中吸收水分的能力吸收水分的能力 親水性、孔隙率、孔特征親水性、孔隙率、孔特征吸附吸

7、附 解吸解吸RH、T RH、Tmmwm含水含mmwm含水含五、導(dǎo)熱性和熱容量五、導(dǎo)熱性和熱容量u冬天：室內(nèi)熱量冬天：室內(nèi)熱量室外，室內(nèi)溫度室外，室內(nèi)溫度u夏天：室外熱量夏天：室外熱量室內(nèi)，室內(nèi)溫度室內(nèi)，室內(nèi)溫度傳熱的三種方式：傳熱的三種方式：絕熱性好、熱容量大絕熱性好、熱容量大室內(nèi)室內(nèi)冬暖冬暖夏涼夏涼傳導(dǎo)換熱、傳導(dǎo)換熱、 對流換熱、輻射換熱對流換熱、輻射換熱1、導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻、導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù) 材料傳遞熱量的能力材料傳遞熱量的能力.的影響因素：的影響因素：絕熱材料定義：絕熱材料定義：12 tQdttA組成、結(jié)構(gòu)，孔隙率、組成、結(jié)構(gòu)，孔隙率、孔隙特征、受潮、受凍孔隙特征、受潮、受凍

8、0.23 w/mk熱阻含義熱阻含義熱阻計(jì)算熱阻計(jì)算dR 熱量通過材料時(shí)所受到的阻力熱量通過材料時(shí)所受到的阻力2、比熱和熱容量、比熱和熱容量比熱比熱熱容量熱容量材料受熱時(shí)蓄存熱量，冷卻時(shí)放出熱量材料受熱時(shí)蓄存熱量，冷卻時(shí)放出熱量 的性能的性能熱容，常用比熱熱容，常用比熱C表示：表示： C=Q/m*(t1-t2)比熱比熱C與材料質(zhì)量的乘積：與材料質(zhì)量的乘積：c*m= Q/(t1-t2) 。 材料熱容量大，室內(nèi)溫度波動(dòng)小。材料熱容量大，室內(nèi)溫度波動(dòng)小。六、吸聲性和隔聲性六、吸聲性和隔聲性1、吸聲系數(shù)、吸聲系數(shù) 2、吸聲材料、吸聲材料 定義：定義： 選擇：選擇：01EE被材料吸收的聲能被材料吸收的聲能

9、入射總聲能入射總聲能吸聲系數(shù)吸聲系數(shù) 0.2的材料的材料分析環(huán)境噪聲的頻率特征分析環(huán)境噪聲的頻率特征 3、隔聲量隔聲量 室內(nèi)隔聲效果取決于室內(nèi)隔聲效果取決于：20lg10EER 入射總聲能入射總聲能透過材料的聲能透過材料的聲能材料質(zhì)量、彈性模量材料質(zhì)量、彈性模量 、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu) 1-3 力學(xué)力學(xué)性質(zhì)性質(zhì)一、強(qiáng)度與比強(qiáng)度一、強(qiáng)度與比強(qiáng)度1、強(qiáng)度、強(qiáng)度定義定義：分類分類：影響因素影響因素： 抵抗外力破壞的最大應(yīng)力值抵抗外力破壞的最大應(yīng)力值 抗拉、抗壓、抗彎和抗剪強(qiáng)度抗拉、抗壓、抗彎和抗剪強(qiáng)度材料內(nèi)因材料內(nèi)因組分、結(jié)構(gòu)組分、結(jié)構(gòu)試驗(yàn)條件試驗(yàn)條件試件試件(尺寸、形狀、含水率尺寸、形狀、含水率) 溫度、加

10、荷速度等溫度、加荷速度等PPPP強(qiáng)度計(jì)算u抗壓、抗拉、抗剪：f=Pmax/Au三點(diǎn)抗彎：f彎=3PL/2bh u四點(diǎn)抗彎：f彎=PL/bh222、比強(qiáng)度比強(qiáng)度 定義定義： 作用作用： 實(shí)例實(shí)例：材料表觀密度kg/m3抗壓強(qiáng)度MPa比強(qiáng)度低碳鋼78504200.053松木500350.070混凝土2400300.013強(qiáng)度強(qiáng)度/表觀密度表觀密度輕質(zhì)高強(qiáng)的指標(biāo)輕質(zhì)高強(qiáng)的指標(biāo)二、彈性和塑性二、彈性和塑性u彈性彈性能完全恢復(fù)原來形狀的性質(zhì)。能完全恢復(fù)原來形狀的性質(zhì)。 塑性塑性不能自動(dòng)恢復(fù)原來形狀不能自動(dòng)恢復(fù)原來形狀, 且不產(chǎn)生裂縫的性質(zhì)。且不產(chǎn)生裂縫的性質(zhì)。u彈性模量彈性模量 E抵抗變形的能力抵抗變形

11、的能力u實(shí)際材料實(shí)際材料 較小外力作用下，表現(xiàn)為彈性變形；較小外力作用下，表現(xiàn)為彈性變形； 受力超過限度后，表現(xiàn)為塑性變形。受力超過限度后，表現(xiàn)為塑性變形。 受力后，彈性變形與塑性變形同時(shí)產(chǎn)生受力后，彈性變形與塑性變形同時(shí)產(chǎn)生E變形變形應(yīng)力應(yīng)力變形變形應(yīng)力應(yīng)力變形變形應(yīng)力應(yīng)力彈塑性材料彈塑性材料三、脆性和韌性三、脆性和韌性u脆性脆性 在外力作用下，無明顯塑性變形而突然破在外力作用下，無明顯塑性變形而突然破壞的性質(zhì)。壞的性質(zhì)。u韌性韌性 在沖擊或振動(dòng)荷載作用下，材料能吸收較在沖擊或振動(dòng)荷載作用下，材料能吸收較大的能量，產(chǎn)生一定的變形而不破壞的性質(zhì)。大的能量，產(chǎn)生一定的變形而不破壞的性質(zhì)。變形變形

12、應(yīng)力應(yīng)力脆性材料脆性材料1-4 耐久性耐久性u定義定義u破壞作用破壞作用u耐久性試驗(yàn)?zāi)途眯栽囼?yàn)材料在長期使用過程中，材料在長期使用過程中，能保持原有性能的性質(zhì)。能保持原有性能的性質(zhì)。物理作用溫濕度、凍融、流水、紫外線物理作用溫濕度、凍融、流水、紫外線化學(xué)作用酸堿鹽水溶液、有害氣體、水化學(xué)作用酸堿鹽水溶液、有害氣體、水生物作用蟲、菌生物作用蟲、菌（快速模擬試驗(yàn)）（快速模擬試驗(yàn)） 干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、化學(xué)介質(zhì)浸漬等。干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、化學(xué)介質(zhì)浸漬等。指標(biāo)：耐水性、抗?jié)B性和抗凍性指標(biāo)：耐水性、抗?jié)B性和抗凍性1、耐水性、耐水性破壞原因破壞原因：表示方法表示方法： 耐水材料耐水材料：水的溶解、劈裂作用水的溶解、劈裂作用R R飽飽 K軟軟 R干干軟化系數(shù)軟化系數(shù)K0.852、抗凍性、抗凍性材料受凍破壞的原因材料受凍破壞的原因：表示方法表示方法：影響因素影響因素：水結(jié)冰體積膨脹水結(jié)冰體積膨脹9